[MÚSICA] Bienvenidos a esta nueva sesión del curso Energías Sustentables. Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC. En esta ocasión se verán las restricciones de los sistemas convencionales de producción eléctrica y más allá. Al final del video se comprenderá la conveniencia de integrar recursos energéticos revisando además los desafíos para la integración efectiva de tecnologías. Para introducir los sistemas híbridos usemos una analogía simple, que vuela, corre y navega, no se necesitaría otra cosa. Pero también sucede lo contrario, no tendría sentido tener un auto con un motor para el día y otro para la noche, porque no puede funcionar sin luz, o uno para la subida y otro motor para la bajada. Pero a veces es necesario integrar en un servicio distintas fuentes de poder, porque un sistema no puede volar y navegar. Partamos por un sistema eléctrico que posee tres reactores nucleares, cada uno con un tercio de la potencia que demanda el sistema. En un periodo de dos años, un reactor comercial opera a máxima potencia y se detiene una vez cada dos años o cada 18 meses por tres semanas, según el perfil económico. Puedo crear a menor potencia, pero no es lo mejor para estas unidades. En esas semanas se hace mantención y se cambia un tercio del combustible. A veces debe parar por un evento no programado, propio o externo, como por ejemplo, una falla de la red. La suma de las unidades da una curva de oferta que se aprecia acá arriba. Si la demanda fuera la línea punteada amarilla, bastaría ese tipo de unidades para regeneración eléctrica. En la práctica, la demanda no sigue a la oferta, y en el largo plazo siguen los vaivenes de la economía. Si tal mercado produce más o menos, se verían periodos de superávit y déficit, como se ve en la figura, que exige la participación de otros recursos y tecnologías. Lo común es que el funcionamiento de distintas tecnologías siga este patrón. La energía nuclear presenta el mejor factor de planta, a nivel global opera en promedio sobre 80% del tiempo a plena potencia. Le sigue la geotermia con escalas más compactas, las fósiles siguen con promedios alrededor de 60% y luego viene la hidroelectricidad con medias cercanas a 50%. En general, estas se consideran tecnologías despachadas, es decir, están dispuestas a operar en cualquier momento. Podemos agregar un par de tecnologías no despachables, como la solar y eólica, con factores de planta entre el 20% y 30%; aunque el valor efectivo depende del sitio. Por ejemplo, la eólica tiene mejor desempeño costa afuera, a cambio de mayor costo y complejidad de instalación; y la solar tiene mejor desempeño en lugares de poca humedad. En un día común, las fuentes despachables pueden generar sin interrupción. La hidro puede considerarse despachable, pero en ciertos casos no lo será cuando no tienen un recurso garantizado. La eólica tendrá un desempeño típico similar al que aparece acá en la figura, así como la solar, que es más predecible, pues depende de la rotación y posición del sol, que es conocida. Veamos un ejemplo de un sistema, de una demanda diaria variable con un máximo de 5 gigawatt, en una latitud alta, que requiere un suministro eléctrico promedio de unos 34 terawatt-hora. Si este sistema tiene una capacidad de 1 gigawatt nuclear, 0.9 gigawatt eólicos y 1.2 fotovoltáico, necesitará una capacidad de 3.3 gigawatt fósiles, que en este caso operará especialmente en la tarde. Este sistema estaría sobredimensionado en un 30%. Si aumenta en un tercio la capacidad solar, disminuye la contribución fósil, pero no disminuye la capacidad necesaria. En este ejemplo se mantiene la capacidad nuclear, y aumenta primero la eólica a casi el triple, con lo que disminuye la producción termoeléctrica, pero con una leve reducción de su capacidad fósil. En un sistema que está sobredimensionado en casi 50%. Si aumentara la capacidad solar en un tercio con la eólica más que duplicada, se nota que se reduce la generación promedio fósil, sin bajar la exigencia de menos capacidad fósil. Más aun, la rampa fósil de la tarde se vuelve más empinada, varias unidades deben tener una partida a esa hora. En este caso, el sistema está sobredimensionado en casi 60%. Si nuevamente aumenta la capacidad solar en otro tercio con la eólica más que duplicada, se nota que se reduce la generación promedio fósil, sin bajar la capacidad fósil. La rampa fósil de la tarde se vuelve aun más empinada. En este caso, el sistema estará sobredimensionado en 75%. Luego, se nota que al hibridar cambia la participación de distintas tecnologías en la producción eléctrica, a costa de una mayor capacidad instalada. Se ve que aumentando la fracción renovable se reduce levemente la cuota de tecnologías fósiles de respaldo. Eso se debe a que el recurso eólico es poco predecible. Por otro lado, al aumentar la fracción solar, se presiona más sobre la rampa de respaldo fósil. Y en algún momento afecta a la generación nuclear. De este modo, una forma libre de gases de efecto invernadero interfiere con otras de similar atributos en emisiones. Esas tecnologías deben partir y ciclar todos los días, y presionan la confiabilidad del sistema. Si ese respaldo es diésel, el costo medio del sistema aumenta, opacando las ventajas de la generación renovable. Una alternativa a reducir la generación nuclear es que dicha central ocupe su excedente de generación en otro servicio energético, como producción de hidrógeno, o desalinización, que tienen mayor valor que la electricidad a la hora en que casi todo el sistema está operando con renovables. Si aumenta otro poco la capacidad eólica, la capacidad fósil puede disminuir, manteniendo la capacidad total del sistema, mientras la planta nuclear aumenta la participación en otros servicios energéticos. Entonces, a medida que aumenta la capacidad de generación para la demanda de un mercado, conviene crear otras aplicaciones energéticas, eso permitiría la viabilidad económica de distintos actores. Sin embargo, la sobreinversión de capacidad genera un uso excesivo de recursos de suelo, agua, materiales, así como de emisiones en compromiso con la seguridad efectiva de suministro, con plantas de distinta seguridad técnica. Este cuadro muestra la seguridad técnica de las distintas opciones, así como las emisiones, la necesidad de agua y de superficie. En este caso, ninguna alternativa presenta un dominio integral sobre otro, por lo que hay factores en compromiso. El efecto dependerá de las limitaciones del país, el uso actual de superficie, la disponibilidad de agua, y muy especialmente de los compromisos ambientales. Una de las razones más importantes para la integración de estas tecnologías es la reducción de emisiones, pero también se justifica cuando la integración aumenta la eficiencia del sistema eléctrico, mejora su confiabilidad, seguridad y flexibilidad, mientras reduce a la vez las emisiones y el costo. Estos aspectos evolucionan, pero aún no se consiguen todos los beneficios, en particular ocurre a un mayor costo. La integración permite seguir demandas que se vuelven más variables, aprovechar recursos intermitentes, y ofrecer servicios energéticos como calor y nuevos combustibles sintéticos. El propósito es integrar centrales eléctricas fósiles con captura y secuestro de carbono, hídricas, nucleares, renovables no hídricas, adoptar la bioenergía y producir combustibles sintéticos hidrogenados para el transporte, a la vez que desaliniza agua y provee calor distrital. Como decía, la tarea última es reducir las emisiones de carbono, pero hay que tener cuidado que no ocurra el efecto contrario, si las tecnologías libres de emisiones se anulan entre sí, y se acude a combustibles fósiles para el respaldo de los recursos intermitentes, se habrá perdido el efecto. Las formas de integración son variadas, podrían clasificarse por emisiones, partiendo por las que no tienen emisiones, o tienen muy pocas emisiones, seguido de las emisiones bajas, y terminar en emisiones altas. Le siguen en la cadena el transporte y almacenamiento de electricidad, los combustibles hidrogenados y sintéticos. Estos deben atender a los servicios energéticos finales de varios tipos. Este cuadro es la versión gráfica de lo anterior, en que diferentes tecnologías producen electricidad, hidrógeno y combustibles sintéticos, como metano, tanto para el consumo, como para el almacenamiento, en los cuales se puede destacar el almacenamiento potencial, térmico y el hidrógeno. Hoy domina por lejos el primero. La electricidad y los combustibles creados por conversión térmica llega finalmente a usuarios residenciales e industriales, incluyendo el transporte. El excedente de calor puede ser usado para desalar agua. En este diagrama se pueden ver elementos de mitigación, partiendo por sistemas convencionales, como termoeléctrico arriba, pero con captura y secuestro de carbono, y sistemas a gas, sistemas nucleares y sistemas hidroeléctricos, los térmicos requieren una planta de conversión térmica, como la que aparece en la figura. La electricidad producida finalmente se trasmite a los usos finales a través de redes eléctricas, si tales redes a mediano plazo permitieran la superconducción, podrían transportar simultáneamente el hidrógeno. Se puede seguir con otras tecnologías renovables, como la geotermia y la oceanotermia. En este último caso, aparece acoplada a un reactor de alta temperatura que además está produciendo calor para uso industrial y para producir hidrógeno, que es más eficiente por esta vía que a partir de la electricidad, el calor residual también puede ser usado para desalar. Un componente clave de la hibridación es el almacenamiento, las principales exigencias de un sistema de almacenamiento son: Su capacidad, esto es la cantidad de energía que puede contener; La disponibilidad de energía o potencia, que depende prácticamente las maquinas; El tiempo de descarga de potencia máxima, que puede ser de segundos a días y ojalá más; La eficiencia de conversión, es decir, la energía útil que puede finalmente entregar; La autonomía, que es el tiempo máximo; La durabilidad, por ejemplo, los ciclos de descarga; y el efecto del daño ambiental. Y finalmente el costo, tanto de capital, que puede medirse en dólares por kilowatt, como de operación, que puede medirse en dólares por megawatt-hora. En este cuadro, se comparan los distintos atributos esperados de algunos medios de almacenamiento, como el bombeo hidráulico, el aire comprimido, el térmico, los volantes de inercia, los supercapacitores y sistemas magnéticos, el hidrógeno y también las baterías. Por ahora, el de mejor desempeño es el bombeo, por costo, tiempos de respuesta y descarga, así como por madurez. Este cuadro compara dos atributos esperados, como la potencia del sistema y el tiempo de descarga, en este se aprecia el bombeo como el más maduro y más aceptado, arriba a la derecha para almacenamiento, le siguen en madurez algunas baterías, volantes y capacitores, con menor desempeño y restringido para respaldo y control de frecuencia. Hay otros en desarrollo, como volantes de inercia de alta duración, capacitores de alta energía y gas natural sintético. El almacenamiento por bombeo domina hoy en capacidad, esta representa un porcentaje bajo de la capacidad total eléctrica instalada, no obstante, cabe considerar que almacenamiento no significa más generación, es más, tiene un consumo neto, porque los sistemas no son eficientes, lo que se suma a la ineficiencia inicial de producción de electricidad. A los bombeos les sigue el aire comprimido y un conjunto de baterías. Veamos un ejemplo aplicado, un reactor nuclear como el del comienzo, entregando electricidad a una red de poca variabilidad a través de un sistema de conversión térmico, formado por un arreglo de turbomáquinas térmicas a vapor que están acopladas a un generador eléctrico, este ejemplo considera un reactor de alta temperatura, pudiendo ser refrigerado por helio o por un metal líquido, o ser fundido. En un mercado más basado en servicios que en manufactura, la demanda se torna más variable, con lo cual el reactor debe seguir carga, lo puede hacer, pero no es la operación más conveniente. Entonces, se puede almacenar energía después de generar la electricidad mediante sistemas de almacenamiento por energía potencial o hidrógeno. Este cuadro muestra algunas de las opciones como bombeo, baterías, volantes e hidrógeno. También es posible incorporar un lazo intermedio y usarlo como almacenamiento térmico, generando la electricidad ajustada a la demanda. Ahora bien, es posible integrar sistemas solares en este lazo, que es de característica térmica, en que el reactor genera una base, y el sistema solar incorpora el efecto variable con almacenamiento, generando la electricidad ajustada a la demanda. Esta figura muestra un pequeño sistema de almacenamiento térmico útil para la configuración anterior. Finalmente, a este ejemplo se le puede adicionar otros procesos que permiten producir ocho servicios energéticos, así como agua desalada. Los sistemas híbridos pueden contribuir a reducir emisiones de gases de efecto invernadero usando recursos intermitentes, sin efectos técnicos ni económicos sobre los sistemas despachables. Su uso actual, aparte del almacenamiento hidráulico, que nació para poblar plantas térmicas y nucleares, aún es limitado. La tasa de distribución de nuevas formas dependerá del progreso tecnológico, de arquitecturas, sistemas y materiales, y del ajuste de los mercados de electricidad y servicios. Es posible resumir y concluir que las tecnologías convencionales pueden contribuir a bajar emisiones de gases de efecto invernadero sin sufrir desplazamiento o paradas por tecnologías renovables intermitentes. Que de lo contrario demandarían respaldo fósil, la integración de los sistemas eléctricos y térmicos se facilita con medios de almacenamiento de energía, algunos de los cuales ya están maduros, como es el caso del bombeo hidráulico y otros están en proceso de desarrollo.
